Ein wärmeleitender Gap-Filler leitet die Wärme nicht wie erwartet. Wo geht die Hitze hin?

Ich habe einen Tassenwärmer, das ist eine Kochplatte, die ich gemessen habe und sich auf 56 ° C erwärmt.
Es kam mit einem Becher mit flachem Boden, der seinen Inhalt nach einigen Minuten auf etwa 53 ° C erwärmt.
Mein Verständnis des Systems ist, dass die 56 ° C der Heizplatte eine Randbedingung sind, die den Becher dazu zwingen würde, schließlich dieselbe Temperatur zu erreichen, wenn keine Wärme an die Umgebung verloren geht. Aber natürlich gibt es einen gewissen Wärmeverlust, weshalb sich der Becher bei etwa 53 ° C stabilisiert.

Jetzt habe ich der Heizplatte eine 5 mm dicke Schicht eines komprimierbaren, wärmeleitenden Gap-Fillers hinzugefügt , der normalerweise verwendet wird, um die Lücke zwischen einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil und einem Kühlkörper zu füllen; Mein Ziel ist es, Tassen mit nicht flachem Boden wie handelsübliche Keramiktassen verwenden zu können und dennoch einen guten Wärmekontakt zu haben.

Das Problem ist, dass ich festgestellt habe, dass der Gap Filler die Wärme nicht so stark überträgt, wie ich erwartet hatte, selbst wenn Vollkontakt besteht , und ich verstehe nicht, warum.

Die Oberfläche des Gap-Fillers wird so heiß wie die Kochplatte: 56°C.
Aber selbst der Becher mit flachem Boden auf diesem flachen Lückenfüller wird nur 41 ° C heiß , egal wie lange ich warte.
Soweit ich das beurteilen kann, ist hier jede Oberfläche flach und hat guten Kontakt.
Wie lässt sich also die Tatsache erklären, dass allein das Einbringen des Gap Fillers die maximale Temperatur, die von derselben Tasse erreicht wird, (so stark!) senkt? Es ist, als ob der Füller einen Teil der Wärme absenkt, was keinen Sinn macht - oder? Wo also „geht“ die Hitze hin? Was vermisse ich?

Ein paar Details hinzufügen:

Der Becher ist etwa 10 cm hoch und hat einen Durchmesser von 8 cm, seine Seitenfläche beträgt also etwa 251 C M 2 . Es ist nicht doppelwandig, wird also in jedem Fall heiß.
Der Gap Filler ist ein Kreis, 5 mm hoch und 5,2 cm im Durchmesser, der die Kochplatte bedeckt, also seine Seitenfläche etwa 8 C M 2 .

Der Tassenwärmer, Lückenfüller und die Tasse obendrauf

Probiere verschiedene Schichten von Gap Filler aus. Ich vermute, dass Ihr Gap-Filler nur eine mäßig gute Wärmeleitfähigkeit hat, was bedeutet, dass es einen großen Temperaturabfall über dem Gap-Filler gibt. Dies lässt sich daran ablesen, dass dickere Gap-Filler-Schichten niedrigere Temperaturen erzeugen.
Wie in der Frage erwähnt, erreicht die Oberfläche des Füllers genau wie die Heizplatte selbst 56 ° C.
Meine Frage bezieht sich darauf, wie schnell der Füllstoff Wärme leiten kann, und nicht auf die Höchsttemperatur, wenn er nicht unter Wärmebelastung steht.
Sie sagten "Temperaturabfall", also antwortete ich darauf (0). Wenn Sie die Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffs meinen, beträgt sie 1,2 W/(m*K) (das Datenblatt ist verlinkt)
Der Füllstoff kann Wärme nicht ohne Temperaturabfall leiten, da die treibende Kraft für die Wärmeübertragung ein Temperaturunterschied ist. Es sollte Ihnen nicht viel Mühe kosten, mein vorgeschlagenes Experiment auszuprobieren, um zu überprüfen, ob Ihr Füllstoff ein Problem mit der Wärmeleitfähigkeit hat. Natürlich, wenn es dir lieber ist, könntest du einfach weiter mit mir streiten und es nie herausfinden.
Ich bin mir nicht sicher, ob ich dir folge oder wir uns verstehen. AFAIK, "treibende Kraft für die Wärmeübertragung" ist der 2. Hauptsatz der Thermodynamik, nicht "Temperaturunterschied" - aber ich bin dankbar für jedes Material, um mich weiterzubilden. Ich habe Ihr Experiment ausprobiert, und der Temperaturabfall über 4 Füllschichten beträgt etwa 5 ° C - obwohl ich mir nicht sicher bin, wie sehr das ein Ablenkungsmanöver ist, angesichts des eigentlichen Problems, das bereits von @SalomonSlow gefunden wurde.

Antworten (3)

Wo also „geht“ die Hitze hin?

In die Umgebung natürlich!

Klingt so, als ob Ihre Kochplatte temperaturgesteuert ist. (Das heißt, die Oberflächentemperatur wird niemals 56 °C überschreiten.) Wenn dies der Fall ist, sollten Sie damit rechnen, dass die Temperatur des Bechers geringer ist, wenn Sie irgendeine Art von Isoliermaterial zwischen Becher und Heizplatte legen: Verlangsamen der Hitze Der Durchfluss erhöht nicht die Temperatur der Heizplatte, sondern verlangsamt stattdessen die Geschwindigkeit, mit der die Temperaturregelung Wärme in die Heizplatte und schließlich in den Becher einlässt.

Ich vermute , dass Ihr "Gap Filler" ein besserer Leiter ist als die Luft, die er verdrängt, aber er leitet Wärme nicht so gut wie direkten Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche, wenn Sie diesen einen speziellen Becher verwenden.

Wie misst du die Temperaturen?
Interessanter Punkt. Ich bin davon ausgegangen, dass 56 ° C nur die maximale Temperatur ist, die von der Stromquelle erreicht werden kann, aber wenn es irgendeine Art von Temperaturregelung / "Drosselung" gibt, würden sich die Dinge ändern. Ich werde versuchen, in jedem Fall etwas zu zerlegen oder die verbrauchte Leistung zu messen.
@nielsnielsen, mit einem digitalen Thermometer in Kontakt mit jeder der Oberflächen.
Gute Wärmeleitmaterialien werden mit Datenblättern geliefert, die Ihnen genau sagen, was ihre Wärmeleitfähigkeit ist. Und es ist sehr üblich, dass es viel besser als Luft ist, aber viel schlechter als die Dinge, zwischen die sie gestopft sind.
@ThePhoton, das Datenblatt ist in der Frage verlinkt. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 1,2 W/(m*K).
@SolomonSlow, ein Blick auf den Stromverbrauch machte die Dinge klar: Es findet ein temperaturabhängiger Leistungszyklus statt, eine Art langsamer PWM. Es sieht also so aus, als würde der Füllstoff die Wärme nicht schnell genug leiten, und die Heizplatte startet den Leistungszyklus, um eine Überhitzung zu vermeiden, was meine Annahme der konstanten Temperatur als Randbedingung widerlegt.
Interessanterweise gibt es sogar bei einer kalten Tasse einen gewissen Leistungszyklus, was bedeutet, dass das Design des Tassenwärmers mehr darauf bedacht ist, eine Überhitzung an der Platte zu vermeiden, als die Tasse am schnellsten zu erhitzen. Das hätte ich bei so einem "Spielzeug"-Ding nicht erwartet!

Lückenfüller zur Verwendung in Halbleiter-Kühlkörper-Übergängen füllen typischerweise Lücken mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,5 mm oder weniger . Mit 8 mm ist diese Gap-Filler-Schicht viel, viel zu dick. Als solches stört es die Wärmeübertragung, verbessert sie nicht, indem es Wärme durch seine dicke Seitenwand entweicht. Die Oberfläche des Leckpfads beträgt, wie Sie sagen, etwa 8 cm ^ 2. Verglichen mit der Fläche der Oberseite der Fugenfüllplatte – 21 cm^2 – ist dies erheblich!

Geometrisch gesehen ist zwar die Seitenfläche gegenüber der Deckfläche nicht zu vernachlässigen. Aber in Bezug auf den Kühlkörper sehe ich nicht, wie die Seitenfläche (Schnittstelle zur Luft) eine Kerze an der Oberseite (Schnittstelle zur Tasse) halten kann. Vor allem, wenn man bedenkt, dass die Tasse ohne Füller genug Wärme bekommt, um 0,5 L bei 51 C zu stabilisieren.

Wärme kann an beliebig vielen anderen Stellen als direkt an den Inhalt des Bechers verloren gehen.

  • An die Luft, die die Seitenwände des Gap-Fillers umgibt. Ihr Experiment mit dem Originalbecher mit flachem Boden beinhaltet diesen Verlust nicht. Um diesen Teil zu minimieren (entfernen), sollten Sie auch um die Kanten des Gap Fillers herum isolieren. Angesichts der Dicke des Füllpolsters ist dies wahrscheinlich der größte Verlust.

  • An den Seitenwänden des Bechers selbst, wodurch es dann an die den Becher umgebende Luft geht. Dieser Verlust wird deutlich, wenn Sie zu anderen Bechern wechseln.

In Ihrem System hat die Heizung wahrscheinlich eine Grenze, um eine feste Leistung zu liefern (um ein Explodieren zu vermeiden). Dies ist eine Grenze für den Wärmefluss (Stromfluss) für den Fall ohne und mit dem Füllstoff.

Die beiden Bilder sind unten, mit H als Heizung (feste Quelle), F als Leitung durch den Füllstoff, l als Verlust von den Seitenwänden, M als Leitung in den Becher, und C als Leitung/Konvektion in den Inhalt.

Bilder von Systemen mit Wärmeströmen.

Betreff: "In Ihrem System liefern Sie den gleichen festen Wärmestrom." Ich wette nicht. Wenn es wahr wäre, dann wäre das Produkt gefährlich – es würde sehr wahrscheinlich ein Feuer auslösen, wenn jemand es versehentlich abdeckt, während es eingeschaltet ist, und dann weggeht. Ich vermute stark , dass die Temperatur der Heizplatte von einem Thermostat geregelt wird. Wenn dies der Fall wäre, würde es in Ihrer Analogie einer Konstantspannungsquelle entsprechen , nicht einer Konstantstromquelle.
Die Konstantspannungsquelle kann auch eine Begrenzung der Ausgangsleistung aufweisen.
Ich bin mir nicht sicher, ob ich der Analogie folge. Die Oberfläche des Lückenfüllers, auf der der Becher ruht, erreicht ebenfalls 56 ° C, was, wenn ich das richtig verstehe, die Analogie bricht. Außerdem werden die Becherwände natürlich in jedem Fall heiß, einschließlich des No-Filler-Gehäuses. Ich sehe also nicht, wie viel das Hinzufügen der vernachlässigbaren Seitenfläche des Füllstoffs ausmachen kann. (soll ich ein Bild hinzufügen?)
Bild- und Geometriedetails hinzugefügt. Die Seitenfläche des Bechers beträgt ~251 cm2, während die Seitenfläche des Füllers ~8 cm2 beträgt.
Mit dem Bild, das zeigt, wie dick der Lückenfüller im Verhältnis zum System ist, kann die Antwort sicherlich detaillierter eingerahmt werden.
Ein wärmeleitender Gap-Filler leitet die Wärme nicht wie erwartet. Wo geht die Hitze hin?
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